способ импульсного регулирования переменного напряжения

Формула изобретения

СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ путем изменения относительного времени шунтирования и подключения к сети первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно в цепь между входными и выходными выводами, за счет изменения длительности включенного состояния соответствующих ключей моста, в диагональ которого включена первичная обмотка, для чего формируют две последовательности тактовых интервалов с одинаковой длительностью и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которыми задают длительность замкнутого состояния ключей моста и порядок их подключения, причем первым и вторым временными интервалами первой последовательности задают длительность замкнутого состояния двух ключей моста, которыми переключают начало первичной обмотки трансформатора соответственно с фазы сети на нулевой провод, а первым и вторым временными интервалами второй последовательности задают длительность замкнутого состояния двух других ключей моста, которыми переключают конец первичной обмотки трансформатора с фазы сети на нулевой провод, при этом временными интервалами одинаковой длительности первой и второй последовательностей задают длительность замкнутого состояния ключей противоположных плеч моста, отличающийся тем, что задают длительности тактовых интервалов двух последовательностей равными периоду напряжения сети, располагают последовательности одну относительно другой со сдвигом в 180^o, а относительно напряжения сети таким образом, что каждый временной интервал каждой последовательности расположен симметрично относительно середины соответствующей полуволны сетевого напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для регулирования или стабилизации переменного напряжения.

Известны способы импульсного регулирования переменного напряжения с опережающим или отстающим сдвигом первой гармоники выходного напряжения относительно напряжения сети [1] Способы основаны на формировании в каждый полупериод сетевого напряжения двух временных интервалов со взаимно изменяющимися длительностями, на одном из которых при помощи ключей закорачивают первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, а на другом подключают ее к сети, обеспечивая при этом согласное или встречное включение обмоток трансформатора.

К недостаткам способов следует отнести низкие энергетические показатели из-за высокой частоты переключения ключей и регулирование с искажением фазы первой гармоники выходного напряжения, а также относительную сложность системы управления из-за необходимости перераспределения управляющих импульсов с одних ключей на другие с удвоенной частотой сетевого напряжения.

Наиболее близким является способ импульсного регулирования переменного напряжения без сдвига первой гармоники [2]

Суть способа состоит в изменении относительного времени шунтирования и подключения к сети первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно в цепь между входными и выходными выводами за счет изменения длительности включенного состояния соответствующих ключей моста, в диагональ которого включена первичная обмотка, для чего формируют две последовательности тактовых интервалов с одинаковой длительностью, равной полупериоду напряжения сети, и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которыми задают длительность замкнутого состояния ключей моста и порядок их переключения, причем первым и вторым временными интервалами первой последовательности задают длительность замкнутого состояния ключей моста, которыми переключают начало первичной обмотки трансформатора с фазы сети на нулевой провод, а первым и вторым временными интервалами второй последовательности задают последовательность замкнутого состояния двух других ключей моста, которыми переключают конец первичной обмотки трансформатора с фазы сети на нулевой провод при этом временными интервалами одинаковой длительности первой и второй последовательностей задают длительность замкнутого состояния ключей противоположных плеч моста.

Недостатком способа является высокая частота переключения ключей, вследствие равенства длительностей первого и второго тактовых интервалов полупериоду напряжения сети, что увеличивает коммутационные потери и усложняет систему управления.

Цель изобретения повышение энергетических показателей и упрощение устройства за счет снижения частоты переключения ключей при сохранении формы выходного напряжения и диапазона регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что задают длительности тактовых интервалов двух последовательностей равными периоду напряжения сети, располагают последовательности друг относительно друга со сдвигом в 180 град. а относительно напряжения сети таким образом, что каждый временной интервал каждой последовательности расположен симметрично относительно середины соответствующей полуволны сетевого напряжения.

На фиг. 1 а,б приведены временные диаграммы, поясняющие алгоритм управления ключами и принцип импульсного регулирования переменного напряжения; на фиг. 2 функциональная схема устройства, реализующего способ.

На фиг. 1 введены следующие обозначения:

U₁ и U₂ напряжения сети и нагрузки;

U₂⁽⁺⁾ U₁(1+К_т) напряжения нагрузки при работе способа в режиме U₂^(-) U₁(1-К_т) вольтдобавки и вольтовычета соответственно;

К_т коэффициент трансформации;

Т₁ 2 период напряжения сети;

Т_к1 и Т_к2 тактовые интервалы первой и второй последовательностей, которые сдвинуты друг относительно друга на 180 град. и по длительности равны периоду напряжения сети Т₁;

первый временной интервал тактового интервала Т_к1 первой последовательности и он же второй временной интервал тактового интервала Т_к2 второй последовательности;

=2- второй временной интервал тактового интервала Т_к1 первой последовательности и он же первый временной интервал тактового интервала Т_к2 второй последовательности;

t₁, t₂, t₃, t₄, t₅ интервалы замкнутого состояния ключей 1 и 4, 2 и 4, 1 и 4, 1 и 3, 1 и 4 соответственно за один период;

U_оп1 и U_оп2 опорные напряжения системы управления для формирования и ;

U_у напряжение управления.

На фиг. 2 совмещены силовая часть и система управления устройства. Силовая часть содержит полностью управляемые ключи 1-4 с двухсторонней проводимостью, трансформатор 5, а также входные и выходные зажимы 6 и 7, предназначенные для подключения к cети и нагрузке cоответcтвенно. Сиcтема управления включает в себя синхронизирующий трансформатор 8, вторичная обмотка которого выполнена со средней точкой, компараторы 9 и 10, выходные каскады 11-14 с усилителями и элементами гальванической развязки. При применении устройства в качестве стабилизатора оно также содержит датчик выходного напряжения 15 и элемент сравнения 16.

Рассмотрим принцип действия способа в течение одного периода напряжения сети (фиг. 1). Для этого разобьем период Т₁ на пять временных интервалов t₁-t₅. На интервалах t₁, t₃ и t₅ (фиг. 1) ключи 1 и 4 (см. фиг. 2) подключают первичную обмотку трансформатора 5 к сети, формируя на его вторичной обмотке противофазную с сетью вольтодобавку "-"К_тU₁. Трансформатор 5, суммируя эту вольтодобавку с напряжением сети, обуславливает на нагрузке напряжение U₂^(-) (1-К_т) U₁. На интервале t₂ (фиг. 1) ключами 2 и 4 и на интервале t₄ ключами 1 и 3 (фиг. 2) закорачивает первичную обмотку трансформатора 5, формируя на нагрузке напряжение равное напряжению сети U₂ U₁. В последующие периоды напряжения сети интервалы замкнутого состояния ключей повторяются.

Изменением длительности временных интервалов и =2- внутри тактовых интервалов Т_к1 и Т_к2, смещенных друг относительно друга на 180 град. осуществляется плавное регулирование напряжения нагрузки U₂ вниз (фиг. 1, а) и вверх (фиг. 1, б) относительно напряжения сети U₁.

В процессе плавного изменения от 0 до 2 рад и соответствующего изменения от 2 до 0 рад внутри каждого тактового интервала Т_к1 и Т_к2(Т_к1 Т_к2 Т₁ +) напряжение нагрузки U₂ плавно регулируется в диапазоне от U₁(1-К_т) до U₁(1+К_т). В частности, при == рад напряжение на нагрузке равно напряжению сети U₂ U₁. При 0, и 2 рад напряжение нагрузки имеет синусоидальную форму.

Алгоритмы переключения ключей 1 и 2 и длительности их замкнутого состояния и задают в результате сравнения синфазного с сетью и, например, синусоидального опорного напряжения U_оп1 с сигналом управления U_у (фиг. 1). Аналогично замкнутое состояние ключей 3 и 4 с интервалами и задается сравнением противофазного с сетью и также, например, синусоидального опорного напряжения U_оп2 с напряжением управления U_у.

На фиг. 2 синфазность и противофазность с сетью опорных напряжений U_оп1 и U_оп2 обеспечивается синхронизирующим трансформатором 8, а взаимосвязь интервалов и и их регулирование компараторами 9 и 10.

Такой принцип реализации способа позволяет при изменении U_у производить взаимное и встречное изменение длитель- ностей временных интервалов и а также сдвигать тактовые интервалы Т_к1 и Т_к2 первой и второй последовательностей на 180 град. В результате этого при U_у < 0 (фиг. 1, а) напряжение U₂ регулируется от U₁(1-К_т) до U₁, а при U_у < 0 (фиг. 1, б) от U₁ до U₁(1+К_т).

Осуществление предлагаемого способа может быть выполнено на серийных элементах, что указывает на готовность электрической промышленности к производству энергоэффективного средства повышения качества электроэнергии.